不同下墊面對云地放電位置的影響

常生文+王金泉+廖燕珍

摘 要：地表上的建構筑物、灘土、巖石、山地、礦床、河面以及地表層土壤的含水量、含鹽量、濕度、溫度等不同下墊面的變化與該區(qū)域云地放電雷擊落雷點有著某種必然的聯(lián)系，研究這些規(guī)律對開展區(qū)域雷電風險評估、氣候可行性論證，預防雷電災害有很重要的意義。

關鍵詞：不同下墊面；云地放電；位置影響

0 引言

大氣的下墊面是指地球表面的海洋、陸地上的高原、山地、平原、森林、草原、建筑物、土壤和植被等，下墊面的性質和形狀，是影響雷擊放電位置的重要因素之一。本文通過歷年雷電災害的收集、閃電定位觀測資料，對云地閃電發(fā)生地在一定區(qū)域內(nèi)的地形、地貌、地面上建筑物、地表土壤電阻率等調(diào)查、測試，從中尋找出不同下墊面對云地放電位置影響的某種規(guī)律。

1 大氣電場的產(chǎn)生和演變

大氣中的分子受來自地殼、大氣、地球外空射線以及地面上森林火災、工廠排放、火山爆發(fā)等等電離源的作用而電離產(chǎn)生大氣帶電粒子，形成大氣電場。

大氣電場可分為晴天電場和擾動天氣電場，電場強度隨時間、地點、天氣狀況和離地面的高度而變。當存在激烈的天氣現(xiàn)象（如雷暴、雪暴、塵暴）時，大氣電場的數(shù)值和方向均有明顯的不規(guī)則變化。

就全球平均而言，電場強度在陸地上約為120V/m，在海洋上為130V/m，在工業(yè)集中區(qū)由于空氣中存在高濃度的氣溶膠，電場強度會增至每米數(shù)百伏。就雷電的日變化情況看，雷電多發(fā)生在午后到上半夜，主要集中在14時到21時，凌晨到早上較少。主要原因是：進入盛夏期下墊面受熱溫度激增上下溫差大，熱力和動力兩者共同作用，動力抬升局部地區(qū)對流天氣增強， 造成雷電活動頻繁（圖1）。

2 云地放電的條件

雷雨云由一大團翻騰、波動的水、冰晶和空氣組成。當云團里的冰晶在強烈氣流中上下運動時，空氣中的水分子在冰晶的表面逐漸凝結成一層冰，就形成冰雹。這些被強烈氣流反復翻騰、波動的冰晶和水滴充滿了靜電。其中重量較輕、帶正電的電荷堆積在云層上方；較重、帶負電的聚集在云層底部。當電場強度達到可以擊穿空氣時，就會以閃電的形式把能量釋放出來。大氣中達到大氣擊穿電位梯度是雷電發(fā)生的必要條件。通常情況下，超過一半以上的閃電發(fā)生在雷雨云內(nèi)的正、負電荷中心區(qū)之間，稱作云內(nèi)閃電。另一類閃電發(fā)生于云體與地面之間的對地放電，稱為云地放電。

地表上有樹枝等尖端放電產(chǎn)生的電荷，有輸電線路電暈放電，有工廠排放的帶電離子等等。它們之間受到電場、重力、對流等因素的非對稱的作用，使得大氣中各處的正、負電荷分布不均勻，實際測量各處地面大氣電場強度會因時間、地點而不同。當電場強度超過約400kV/m足以把空氣擊穿時，就會發(fā)生閃電放電。

把云層與大地之間形成的電場模擬為電容器時：

q=E0St0/ρ （1）

式中：q—電荷量；t0—時間；E0—電場強度；ρ—土壤電阻率

由（1）式可知：如果云層底部所帶負電荷Q≤q時，不會產(chǎn)生雷擊；當Q>q時雷擊發(fā)生，雷擊是否會向大地發(fā)生閃擊，由兩種因素決定：其一是云層帶電荷量的多少，其二是模擬電容器內(nèi)的電場強度是否達到大氣擊穿的電位梯度。

3 雷雨云的運動軌跡

一般情況下，雷雨云大體上隨500hPa高度上的氣流方向運行，其速度平均為30～40km/h，移動速度春秋季大于夏季，夜間大于白天。地形對雷雨云移動有影響，一般是：雷雨云遇山地阻擋，由于迎風面有上升氣流影響，雷雨云在山地的迎風面停滯少動；當雷雨云受山脈阻擋時，雷雨云即沿山脈走向移動，如山脈有缺口，則雷雨云順著山口移動。

4 不同下墊面對大氣電場的影響

4.1 地面建筑物對大氣電場的影響

目前，隨著我國雷電監(jiān)測預警業(yè)務的發(fā)展，全國氣象部門和科研院所利用大氣電場儀對雷雨云大氣電場進行測量，并利用所測量的電場值進行雷電預警，結果如下。

4.1.1 地面建筑物的存在對周圍大氣電場產(chǎn)生較大的影響

建筑物頂部的大氣電場明顯大于地面電場，且隨建筑物高度增加而增強。例如，建筑物屋面長、寬均為40m，高度分別是h=10、20、50和100m時，其樓頂?shù)拇髿怆妶龇謩e是地面（當建筑物不存在時地面相同位置）處的1.4、1.7、2.8和4.5倍，其屋面轉角處的電場最大。

4.1.2 地面上建筑物對其周圍地表面電場有明顯的屏蔽作用

距離建筑物越近，其屏蔽作用越明顯，在地面上的影響范圍約為建筑物高度的3.5倍。

4.2 地表土壤電阻率對大氣電場的影響

4.2.1 土壤電阻率

表征土壤導電性能的參數(shù)，與土壤的含水量、溫度、含鹽量以及土壤中所含可溶性的電解質有關。土壤含水量增加時，土壤電阻率下降；當土壤含水量增加到20%～25%時，土壤電阻率保持相對穩(wěn)定。土壤電阻率也受溫度的影響，當土壤溫度升高時，其電阻率下降，在0℃時土壤由于水份凍結而使電阻率迅速增加。由于土壤所含可溶性電解質的變化，土壤電阻率的數(shù)值往往也差別很大。一年四季當中，在同一地點氣溫和天氣的變化，土壤中含水量和溫度的不同，土壤電阻率也不斷在變化。

4.2.2 雷擊位置周圍土壤電阻率測試點的選取

以歷年調(diào)查收集到的雷擊事故接閃點位置為圓心測得ρ1，半徑500米范圍取4個方位測試土壤電阻率得平均值ρ2，測試點選點示意圖如圖3。通過測試發(fā)現(xiàn)，地形變化大的區(qū)域，周圍土壤電阻率變化非常明顯。

5 不同下墊面雷擊的選擇性

5.1 與地面上的建筑物情況有關

地面上的高層建筑、屋面上的各種金屬物體、尖端等有利于雷云與大地建立良好放電通道的地方容易造受雷擊。在曠野中，即使建筑物并不是很高，但由于它比較孤立、突出，也比較容易遭雷擊，這是影響雷擊選擇性的重要因素。

工廠煙囪排出的粉塵和煙氣中含有導電粒子和游離氣體，它們比一般空氣容易導電，相當于加高了煙囪的高度，也導致了煙囪易于遭雷擊。

5.2 與建筑物內(nèi)部結構有關

建筑物結構材料所能積蓄電荷量的多少直接影響建筑物接閃的頻率。當建筑物結構中，如墻、板、梁、柱和基礎內(nèi)的鋼筋較多時，容易積累大量的電荷。又如金屬屋頂、金屬構架、電梯間和水箱等也是積累大量電荷的部位。此外，附屬在建筑物上的突出物，如旗桿、廣告牌、排氣煙囪、透氣管等金屬構架也容易遭雷擊。

建筑物的結構，內(nèi)部設備情況對雷電的發(fā)展也有關系，金屬結構的建筑物、內(nèi)部有大量金屬物體的廠房或經(jīng)常潮濕的房屋，由于這些地方具有良好的導電性能，因此比較容易遭雷擊。

5.3 與地形和地物有關

從地形看，對靠山和臨水的地區(qū)，臨水一面的低洼潮濕地點和山口或風口特殊地形易受雷擊。從地物看，鐵路集中的樞紐，長距離的高壓輸電線、大量金屬管道倉庫，由于容易產(chǎn)生大量感應電荷，從而容易遭雷擊。

5.4 與地表土壤電阻率有關

大氣電場受土壤電阻率的影響較大，通過對比不同土壤電阻率情況下的水平電場，發(fā)現(xiàn)地表水平電場受地面導電率的影響非常明顯， 土壤電阻率對雷電輻射磁場的影響隨土壤電阻率的變化而變化。主要表現(xiàn)在振幅和極性上，土壤導電率越小，其負向幅值的衰減速度就越快。

從表1可以看出，雷擊落雷點區(qū)域下墊面土壤電阻率與周邊500米區(qū)域土壤電阻率相比較具有最小值或次最小值。土壤電阻率小由于其導電性良好，土壤中的先導電流沿著電阻率較小的路徑流動。在巖石與土壤交接處、山坡與稻田交界處，雷擊大多落于土壤和稻田處。在青山紙業(yè)—片仔癀—農(nóng)校；軍分區(qū)—芝山—小坑頭；九龍江沿岸一帶雷暴分布較周邊強烈的多。一份自1954—1984年的雷電調(diào)查統(tǒng)計揭示了雷擊的選擇性，該資料表明雷擊在靠近河、湖、池和潮濕地區(qū)的占23.5%，靠近大樹、高層建筑占15%，靠近煙囪、天線的占10%，此外，稻田和導電性良好的土壤交界地帶也占10%。

6 結 語

地面上高聳的建筑物、煙囪、工業(yè)集中的金屬屋面廠房、粉塵及氣體排放區(qū)、地表土壤電阻率較小的位置、土壤電阻率變化很大的地表交界處，能影響局部的大氣電場，使得在同一區(qū)域內(nèi)該位置云地放電次數(shù)明顯較多。這對防雷工程的設計具有重要的意義。它給我們提供了雷擊選擇性的一些思考。據(jù)此，我們可以決定哪些地區(qū)、哪些建筑物應該重點安裝避雷裝置和設備應有的良好接地裝置，而另一些地區(qū)、建筑物在防雷投資上可以少花一些或甚至不必花費投資。

參考文獻

[1] 梅衛(wèi)群 江燕如.建筑防雷工程與設計[M]. 北京：氣象出版社

[2] 李樹晨 和偉 付小芮.大地電阻率與云地放電之間的關系[C]. 全國電磁兼容學術會議，2007

[3] 耿雪瑩 張其林 劉明遠.地面建筑物對雷暴云大氣電場影響的模擬研究[C]. 中國氣象學會，2011

[4] 邵霖，馮曉冬.福建省雷暴活動時空分布規(guī)律分析》[C]. 中國雷電與防護，2005（3）

[5] 張敏鋒，馮霞.我國雷暴天氣的氣候特征[J]. 熱帶氣象學報，1998，14（2）

[6] 王克.雷暴路徑與雷擊閃絡[J]. 雷電與靜電，1991（3）

[7] 周延齡.對地落雷密度測量的研究[J]. 雷電與靜電，1986（2）